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《中南大学》 2007年
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热超声倒装键合界面运动与界面性能的生成规律研究

王福亮  
【摘要】: 热超声倒装键合是最具潜力的新一代微电子封装技术之一,目前尚缺乏对键合机理的透彻分析与掌握。如何通过优化工艺、运动与能量参数来获得高性能的倒装键合界面、提高多点键合的可靠性,以形成成套的高效率、高精度、高质量的工业技术与装备,对微电子制造仍然是重大挑战。本文针对热超声倒装键合界面运动与界面性能生成规律进行研究,所开展的研究工作和主要认识有: 1)建立了热超声倒装键合试验系统,该系统可在超声、热、力等作用下完成倒装键合工艺;建立了在线参数监测系统,对键合过程的超声功率、键合力、工具传递的超声振动和芯片振动等参数进行采集;研究了“键合参数—界面运动—键合界面微观结构—键合性能”的键合过程和键合质量的评估原理。 2)发现键合过程工具/芯片界面的相对运动由速度相同演变为“速度分离”,突变点在启动后数毫秒间,说明工具载有的能量在两个阶段有不同形式的转化与耗散。在“突变点”处键合界面已形成初始强度,而“速度分离”后工具载有的能量一部分通过金球的流变传递到键合界面系统继续增强界面结合强度;另一部分消耗于工具/芯片界面的摩擦磨损。据此过程特征,提出以“速度分离”点为界的变键合参数工艺思路。 3)分析了芯片振动信号的频率组成,发现其三倍频信号是“速度分离”的特征信号,提出以三倍频信号控制键合过程的思路。 4)从SEM中观察到了环状键合界面。通过建立了键合界面的有限元模型,研究了键合过程中不同状态下键合界面的应力分布,发现接触面边缘的应力远大于其它位置,更有利于氧化膜去除、驱动原子扩散,并形成键合强度,这是产生环状键合界面的重要原因。 5)获得了键合机理的初步认识:在键合力和超声作用下,金凸点/焊盘中产生高达数百MPa的应力,使金凸点和焊盘中的位错大量增殖、产生塑性流变、接触界面的氧化膜破裂;金凸点/焊盘在塑性流动过程中,将氧化膜碎片带出接触面,使键合界面裸露的金和银原子直接接触,一方面通过电子云共享形成化学键(金属键),另一方面形成物理键(范德华力吸附),生成最初始的键合强度。在持续的循环应力加载和卸载过程中,位错密度迅速增加,接触面逐步扩大;同时,键合界面原子在高达数百MPa应力作用下,获得了足够的能量,越过势垒,沿着接触界面、晶界和位错等短路通道,在数百毫秒时间内实现互扩散,生成数百纳米厚的原子扩散区域,形成可靠的键合强度。 6)研究了键合参数对工具末端振幅、芯片振幅、倒装芯片键合强度以及键合界面微观结构的影响,观测到不同的键合失效形式。获得了键合界面强度的新认识:“键合强度”是键合区域各结构组成的强度,而不仅是金凸点/基板焊盘界面的强度。 7)提出了新型键合参数加载方案:在键合初期采用大超声功率、小键合力,有利于金凸点和焊盘界面的相对运动,提高键合接触面氧化膜的去除效率,形成更多的原子裸露直接接触界面;之后,采用小超声功率、大键合力,以提高接触界面的应力场梯度,促进界面间的原子互扩散,同时降低超声振动对金凸点、焊盘等键合区域面组成部分的疲劳破坏,提高键合区域的整体强度。试验验证了这种新型键合参数加载方法的有效性。
【学位授予单位】:中南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TN405

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